2025年3月机器人三级理论试题(真题及答案)

2025年3月机器人三级理论试题(真题及答案)一、单项选择题（每题2分，共30分）1.工业机器人常用的坐标系中，以机器人末端执行器中心点为原点的是（）。A.基坐标系B.工具坐标系C.世界坐标系D.关节坐标系2.以下哪种传感器属于非接触式距离检测传感器？（）A.压力传感器B.光电编码器C.激光雷达D.温度传感器3.在机器人控制中，PID控制器的“D”参数主要用于（）。A.消除稳态误差B.抑制系统超调C.提高响应速度D.补偿系统滞后4.步进电机与伺服电机的主要区别在于（）。A.步进电机需要反馈，伺服电机不需要B.伺服电机精度更高，步进电机存在步距误差C.步进电机适用于高速场景，伺服电机适用于低速D.两者驱动方式完全相同5.以下哪种编程方式属于离线编程？（）A.示教器手动示教B.基于CAD模型的虚拟编程C.操作面板按键输入D.遥控器遥控操作6.差分驱动机器人的运动学模型中，若左右轮转速分别为v₁、v₂，轮距为L，则机器人的转弯半径R为（）。A.R=L(v₁+v₂)/(v₁-v₂)B.R=L(v₁-v₂)/(v₁+v₂)C.R=L(v₁+v₂)/(v₂-v₁)D.R=L(v₂-v₁)/(v₁+v₂)7.超声波传感器测距时，若声速为340m/s，发射到接收的时间差为2ms，则被测距离约为（）。A.0.34mB.0.68mC.1.36mD.3.4m8.以下哪种情况会导致机器人关节伺服电机过热？（）A.负载扭矩远小于额定扭矩B.长时间运行在额定转速范围内C.减速机构润滑良好D.编码器反馈线接触不良9.机器人正运动学求解的是（）。A.已知关节角度求末端位姿B.已知末端位姿求关节角度C.已知力/力矩求关节驱动力D.已知轨迹求关节速度规划10.以下哪种通信协议常用于机器人传感器与控制器的高速数据传输？（）A.RS-232B.CAN总线C.I²CD.SPI11.机器人安全规范中，“急停按钮”的触发优先级应（）。A.低于普通控制指令B.高于所有其他控制信号C.与报警信号同级D.仅在手动模式下有效12.对于六自由度工业机器人，其逆运动学解的数量通常为（）。A.唯一解B.2个解C.4个解D.最多8个解13.以下哪种算法适用于机器人路径规划中的全局路径规划？（）A.动态窗口法（DWA）B.A算法C.人工势场法D.模糊控制14.机器人末端执行器的“重复定位精度”是指（）。A.多次到达同一位置的最大偏差B.单次运动的绝对位置误差C.末端执行器的最大工作范围D.关节角度的最小分辨力15.在机器人视觉系统中，单目相机无法直接获取的信息是（）。A.物体颜色B.物体形状C.物体深度D.物体边缘轮廓二、判断题（每题1分，共10分）1.机器人的自由度数量等于其关节数量。（）2.惯性测量单元（IMU）可以同时测量加速度和角速度。（）3.步进电机的转速仅由输入脉冲频率决定，与负载无关。（）4.机器人离线编程可以完全替代示教编程，无需现场调试。（）5.激光雷达通过发射并接收红外光来检测障碍物距离。（）6.机器人正运动学可能存在多解问题，而逆运动学解是唯一的。（）7.工业机器人的防护等级IP65表示防尘等级为6，防水等级为5。（）8.谐波减速器具有传动比大、体积小、精度高的特点。（）9.在PID控制中，积分环节（I）会导致系统响应速度变慢，但能消除稳态误差。（）10.机器人的安全区域划分中，“保护区”允许人员无防护进入。（）三、简答题（每题6分，共30分）1.简述差分驱动机器人的运动原理，并说明其转向时左右轮的速度关系。2.列举三种常见的机器人传感器，并分别说明其检测的物理量及典型应用场景。3.解释机器人“工作空间”与“可达空间”的区别，并举例说明。4.说明PID控制器中比例（P）、积分（I）、微分（D）三个参数的作用及调整时的相互影响。5.简述工业机器人的“示教-再现”工作流程，并分析其优缺点。四、综合分析题（每题15分，共30分）1.设计一个基于Arduino开发板的轮式机器人避障系统，要求使用超声波传感器和舵机实现360°障碍物检测。需说明：（1）硬件组成及连接方式；（2）软件流程（包括主循环逻辑）；（3）关键参数设置（如检测距离阈值、舵机扫描角度步长）。2.某六轴工业机器人在搬运工件时出现末端抖动问题，可能的原因有哪些？请从机械结构、控制系统、传感器反馈三个方面进行分析，并提出对应的排查与解决方法。---参考答案及解析一、单项选择题1.B（工具坐标系以末端执行器为原点，用于描述工具相对于机器人的位姿。）2.C（激光雷达通过发射激光并接收反射光测距，属于非接触式；压力传感器需接触被测物体。）3.B（微分（D）参数反映误差变化率，用于抑制超调，提高系统稳定性。）4.B（伺服电机通过编码器反馈实现闭环控制，精度高于开环控制的步进电机。）5.B（离线编程基于虚拟环境建模，无需机器人本体参与；示教器属于在线编程。）6.A（差分驱动转弯半径公式推导：当左轮速度v₁≠右轮速度v₂时，机器人绕瞬时中心转动，R=L(v₁+v₂)/(v₁-v₂)（假设v₁>v₂）。）7.A（距离=声速×时间/2=340m/s×0.002s/2=0.34m。）8.D（编码器反馈线接触不良会导致伺服电机无法准确闭环控制，电流异常增大，引发过热。）9.A（正运动学是从关节空间到笛卡尔空间的映射，逆运动学相反。）10.B（CAN总线支持高速、多节点通信，广泛用于机器人内部传感器与控制器互联。）11.B（急停按钮需优先切断动力源，确保安全，优先级最高。）12.D（六自由度机器人逆运动学受关节结构限制，最多可能有8组解。）13.B（A算法用于全局路径规划，DWA和人工势场法属于局部规划。）14.A（重复定位精度是多次到达同一位置的一致性，用最大偏差表示。）15.C（单目相机无法直接获取深度信息，需通过双目或结构光技术实现。）二、判断题1.×（自由度数量可能小于关节数量，如冗余自由度机器人。）2.√（IMU通常集成加速度计和陀螺仪，分别测量线加速度和角速度。）3.×（步进电机转速由脉冲频率决定，但负载过大会导致失步，实际转速下降。）4.×（离线编程需考虑实际环境与虚拟模型的差异，仍需现场调试。）5.×（激光雷达发射的是激光（可见光或红外），非单纯红外光。）6.×（正运动学解唯一，逆运动学可能存在多解或无解。）7.√（IP防护等级第一位为防尘等级（0-6），第二位为防水等级（0-9）。）8.√（谐波减速器由柔轮、刚轮和波发生器组成，传动比可达50-300，体积小精度高。）9.√（积分环节累积误差，消除稳态误差，但会引入滞后，降低响应速度。）10.×（保护区为机器人工作区域，人员进入需佩戴防护设备或停机。）三、简答题1.差分驱动机器人通过左右两个独立驱动轮的转速差实现转向。运动原理：当两轮转速相等（v左=v右）时，机器人直线运动；当转速不等（v左≠v右）时，机器人绕两轮连线中点的外侧转动，转弯半径与转速差成反比。转向时，若左转，左轮速度小于右轮速度（或左轮反转、右轮正转）；右转则相反。2.（1）光电编码器：检测电机轴的角位移或转速，用于伺服电机闭环控制；（2）激光雷达：检测障碍物距离和方位，用于移动机器人SLAM建图；（3）力传感器：检测末端执行器接触力，用于装配机器人的力控制。3.工作空间指机器人末端执行器能到达的所有点的集合（需考虑末端姿态）；可达空间仅指位置可达的点（不考虑姿态）。例如，六轴机器人的工作空间是一个球体的一部分，而可达空间可能包含更多点，但部分点无法以所需姿态到达。4.P参数：放大当前误差，提高响应速度，但过大会导致超调；I参数：累积历史误差，消除稳态误差，但过大会引起积分饱和，导致震荡；D参数：抑制误差变化率，减小超调，提高稳定性，但过大会放大噪声。调整时需综合考虑：增大P可能需增大D抑制超调，增大I需减小P避免震荡。5.流程：（1）示教阶段：操作人员通过示教器手动引导机器人运动，记录关键点的位置、速度等参数；（2）再现阶段：机器人按记录的参数重复执行任务。优点：操作简单，无需编程知识；缺点：效率低（需人工示教），无法适应动态环境变化。四、综合分析题1.（1）硬件组成：Arduino开发板（主控）、超声波传感器（HC-SR04，检测距离）、舵机（SG90，带动传感器旋转）、轮式底盘（含电机及驱动模块L298N）、电池（供电）。连接方式：超声波Trig/Echo接Arduino数字引脚（如D2/D3），舵机信号线接PWM引脚（如D9），电机驱动模块IN1-IN4接Arduino数字引脚（如D4-D7），VCC/GND共地。（2）软件流程：主循环包括①舵机初始化（0°）；②发送超声波触发信号，接收回波并计算距离；③舵机按步长（如15°）旋转至下一个角度，重复测距；④当检测到某角度距离小于阈值（如30cm），记录该角度并控制电机转向（如向无障碍物方向转动）；⑤若所有角度无障碍物，直线前进。（3）关键参数：检测距离阈值设为30cm（避免碰撞），舵机扫描角度范围0°-180°，步长15°（平衡检测精度与速度），电机转向速度设为50%PWM（避免急转）。2.可能原因及解决方法：（1）机械结构：①关节间隙过大（齿轮或轴承磨损），导致运动时松动；排查方法：手动转动关节，感受是否有异常间隙；解决：更换磨损部件，调整预紧力。②末端执行器安装不平衡（重心偏移），运动时产生惯性抖动；排查：检查工件安装位置，用水平仪测量；解决：增加配重或调整夹具位置。（2）控制系统：①PID参数设置不当（如P过大或D过小），导致系统震荡；排查：观察示教器实时曲线，查看是否有超调；解决